JP4145262B2 - 積層セラミック基板 - Google Patents

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Description

本発明は、積層セラミック基板を積層した積層セラミック基板に関する。
携帯電話等の移動体通信機器や携帯通信端末においては、小型化への要求が高いため、内部の構成要素として用いられる高周波回路基板においても、小型高性能化が求められている。
そのため、この高周波回路基板においては、プリント配線基板に表面実装部品であるコンデンサまたはインダクタを実装する手法でなく、セラミック基板の基となるグリーンシートに配線パターンを形成してキャパシタンスまたはインダクタンスの要素を形成する積層セラミック基板が用いられるようになっている（特許文献１参照）。
例えば、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）を主体として形成された複数のグリーンシートに配線パターンを形成し、その複数のグリーンシートを積層して約９００℃の温度で一括焼成して一体化することにより積層セラミック基板が製造される。
図１４（ａ），（ｂ）は従来の積層セラミック基板の製造方法を示す模式的斜視図である。
図１４（ａ）に示すように、まず、アルミナからなるグリーンシート３１Ａ〜３１Ｄに、スクリーン印刷により所定の配線パターン３２Ａ〜３２Ｄをそれぞれ形成する。次に、図１４（ｂ）に示すように、グリーンシート３１Ａ〜３１Ｄを積層し、およそ９００℃の温度で一括焼成し、積層セラミック基板３０を形成する。なお、グリーンシートとは、有機バインダおよびセラミック原料粉末等を混合および混練し、シート状に加工して乾燥させたものである。
積層セラミック基板３０においては、アルミナからなるグリーンシート３１Ａ〜３１Ｄにスクリーン印刷により所定の配線パターン３２Ａ〜３２Ｄを形成することにより、積層セラミック基板内部にキャパシタンスまたはインダクタンスを得ることが可能となる。したがって、表面実装部品であるコンデンサまたはインダクタの数を減少させることができ、高周波回路部品の小型化が可能となる。
特開２０００−１８５９７８号公報 特開２００３−４６０３３号公報
上記の配線パターン３２Ａ〜３２Ｄを形成する際には、導電率が高くかつ大気雰囲気中での焼成が可能な銀が主に用いられる。しかしながら、銀は、他の導体材料と比較して拡散しやすく、マイグレーション現象を起こしやすい。
図１５は、マイグレーション現象を模式的に示す図である。
図１５に示すように、積層セラミック基板において、ガラスセラミック層３１Ｃ、３１Ｄ間に銀からなる配線パターン３２Ｃが形成され、ガラスセラミック層３１Ｄ、３１Ｅ間に銀からなる配線パターン３２Ｄが形成される。
この場合、ガラスセラミック層３１Ｄを挟んで対向する配線パターン３２Ｃ、３２Ｄ間に銀のマイグレーション現象によって短絡３５が発生し、ガラスセラミック層の絶縁不良が生じるので、積層セラミック基板の信頼性および歩留まりが低下する。
このマイグレーション現象の発生を抑制することが、積層セラミック基板の作製上極めて重要なことである。そこで、金属のマイグレーション現象を抑制するために研究および提案がなされているが（特許文献２）、マイグレーション現象の発生メカニズムに関して十分な解明はされておらず、未だ十分なマイグレーション現象の抑制には至っていない。
本発明の目的は、歩留まりを向上して製品コストを低減し、信頼性の高い積層セラミック基板を提供することである。
従来、積層セラミック基板の形成時における焼成温度は８８０℃以上に高く設定することが技術常識であったが、本発明者は、種々の実験および検討を行った結果、逆に焼成温度を低く設定して積層セラミック基板の結晶化を低くすることにより、マイグレーション現象を抑制することが可能であることを見出し、以下の発明を案出した。
第１の発明に係る積層セラミック基板は、積層された複数のガラスセラミック層と、複数のガラスセラミック層の少なくとも一面に設けられ、金属材料からなる配線パターンとを備え、複数のガラスセラミック層は、非晶質ガラスおよびアルミナを含み、且つ、非晶質ガラスのＸ線回折のピークが現れる結晶化状態であり、アルミナのＸ線回折のピーク強度に対する非晶質ガラスのＸ線回折のピーク強度の比で表される結晶化度が１２％以下であるものである。
第１の発明に係る積層セラミック基板においては、金属材料からなる配線パターンが複数のガラスセラミック層の少なくとも一面に設けられ、その複数のガラスセラミック層が積層される。
この場合、アルミナのＸ線回折のピーク強度に対する非晶質ガラスのＸ線回折のピーク強度の比で表される結晶化度は１２％以下であることにより、金属材料がイオン化してもガラスセラミック層中を移動することができないと考えられる。それにより、マイグレーション現象による電気的短絡を防止することができる。その結果、積層セラミック基板の歩留まりを向上させて製品コストを低減することができるとともに、積層セラミック基板の信頼性を向上させることができる。
複数のガラスセラミック層は、結晶化度が２５％となる場合のガラスセラミック層の密度に対して９５％以上の密度を有することが好ましい。この場合、ガラスセラミック層の十分な強度および密度が得られる。
非晶質ガラスは、珪酸を含むことが好ましい。この場合、結晶化度を容易に１２％以下にすることができる。
非晶質ガラスは、アノーサイトを含むことが好ましい。この場合、結晶化度をさらに容易に１２％以下にすることができる。
金属材料は、銀であってもよい。マイグレーション現象が生じやすい銀により配線パターンが形成された場合でも結晶化度を１２％以下にすることにより、電気的短絡を十分に抑制することができる。
配線パターンは、互いに対向する部分を有し、対向する部分の間のガラスセラミック層の領域における銀の濃度が４％以下であることが好ましい。この場合、電気的短絡を十分に防止することができる。
本発明によれば、歩留まりを向上して製品コストを低減し、信頼性の高い積層セラミック基板を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態に係る積層セラミック基板およびその製造方法について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における積層セラミック基板を示す模式的斜視図である。
図１に示すように、積層セラミック基板１０は、複数のガラスセラミック層１１Ａ〜１１Ｄからなる。各ガラスセラミック層１１Ａ〜１１Ｄは、非晶質ガラスおよびアルミナ(Ａｌ2 Ｏ3 )を含み、各ガラスセラミック層１１Ａ〜１１Ｄの表面には、銀からなる配線パターン１２Ａ〜１２Ｄ（一部図示せず）が形成されている。詳細については後述する。非晶質ガラスは、例えばアノーサイト（ＣａＡｌ2 Ｓｉ2 Ｏ8 ）である。
次に、図１の積層セラミック基板１０の製造方法について説明する。図２は、図１の積層セラミック基板１０の製造方法を示す模式的斜視図である。
図２に示すように、まず、主として非晶質ガラスおよびアルミナからなるグリーンシート１１ａ〜１１ｄに、スクリーン印刷により銀からなる配線パターン１２Ａ〜１２Ｄをそれぞれ形成する。なお、グリーンシートとは、有機バインダおよびセラミック原料粉末等を混合および混練し、シート状に加工して乾燥させたものである。
これらのグリーンシート１１ａ〜１１ｄを積層して一括焼成することにより図１のガラスセラミック層１１Ａ〜１１Ｄからなる積層セラミック基板１０を形成する。この積層セラミック基板１０の形成時の焼成温度は、約８２０℃〜約８６０℃である。
また、本実施の形態に係る積層セラミック基板１０の組成の例を表１に示す。
Figure 0004145262
表１に示すように、本実施の形態における積層セラミック基板１０は、非晶質ガラスを３３重量％〜５９重量％含み、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）を５５重量％〜３５重量％含む。また、表１に示すＸ線回折強度比（以下、結晶化度と呼ぶ。）とは、グリーンシートの焼成に応じて進展する非晶質ガラスの結晶化状態を、アルミナ（多結晶体：Ａｌ2 Ｏ3 ）と比較して表したものであり、Ｘ線回折の測定結果を用いて次式で示される。
結晶化度（％）＝Ｉ（ｇｌａｓｓ）／Ｉ（Ａｌ2 Ｏ3 ）×１００ …（１）
ここで、Ｉ（ｇｌａｓｓ）とは、非晶質ガラス（主成分はＳｉＯ2 ）のＸ線回析のピーク強度を示し、Ｉ（Ａｌ2 Ｏ3 ）とは、アルミナのＸ線回析のピーク強度を示す。
本実施の形態における積層セラミック基板１０においては、結晶化度が１２％以下になるよう焼成温度の上限が設定される。
また、結晶化度が２５％となる場合の積層セラミック基板１０の焼成後の密度（以下、焼結密度と呼ぶ。）に対して９５％以上の焼結密度を有するように焼成温度の下限が設定される。
本実施の形態に係る積層セラミック基板１０では、結晶化度が１２％以下であることにより、配線パターン１２Ａ〜１２Ｄを形成する銀がイオン化しても各ガラスセラミック層１１Ａ〜１１Ｄ中を移動することができないと考えられる。それにより、マイグレーション現象による電気的短絡を防止することができる。その結果、積層セラミック基板１０の歩留まりを向上させて製品コストを低減することができるとともに、積層セラミック基板１０の信頼性を向上させることができる。
また、結晶化度が２５％となる場合の積層セラミック基板１０の焼結密度に対して９５％以上の焼結密度を有するので、積層セラミック基板１０の十分な強度および焼結密度を得ることができる。さらに、配線パターン１２Ａ〜１２Ｄが銀からなるので、導電率が高く、かつ大気中でグリーンシート１１ａ〜１１ｄの焼成が可能となる。
なお、上記実施の形態では、ガラスセラミック層１１Ａ〜１１Ｄの積層数を４層として例示したが、この積層数に限定されない。
以下、実施例においては、上記実施の形態に基づいて積層セラミック基板１０を作製し、評価を行った。
（実施例）
（焼成温度の実験）
本実施例においては、グリーンシート１１ａ〜１１ｄとして低温焼成セラミックス（ＬＴＣＣ：日本電気真空硝子株式会社製ＧＣＳ７１）を用いた。この低温焼成セラミックスでは、メーカー推奨焼成温度が量産用連続炉約８７０℃〜約９００℃に設定されている。
また、表２に本実施例で用いた低温焼成セラミックスの組成を示す。本実施例で用いた低温焼成セラミックスはアノーサイト（ＣａＡｌ2 Ｓｉ2 Ｏ8 ）からなる。
Figure 0004145262
表２に示すように、本実施例における低温焼成セラミックスにおいては、酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）が３３重量％〜４０重量％含まれており、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）が４４重量％〜５２重量％含まれており、酸化カルシウム（ＣａＯ）が８．０重量％〜１３．０重量％含まれており、酸化カリウム（Ｋ2 Ｏ）が１．０重量％〜３．０重量％含まれている。
（評価）
図３は、積層セラミック基板１０のＸ線回折（ＸＲＤ）のスペクトルの一例を示す図である。図３の縦軸は強度を示し、横軸は回折角度２θ（ｄｅｇ）を示す。
図３に示すように、回折角度２θ＝２８．０〜２８．１ｄｅｇにおいてアノーサイト（ＣａＡｌ2 Ｓｉ2 Ｏ8 ）に対応したピークＡが現れ、回折角度２θ＝３１．０〜３１．２ｄｅｇにおいてアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）に対応したピークＢが現れる。
上記の式（１）に示したように、結晶化度は、ピークＡの強度およびピークＢの強度から算出される。
（焼成温度の変化による各種パラメータの変化についての検証）
次に、本実施例において、上記低温焼成セラミックスを用いて焼成温度をそれぞれ８００℃、８２０℃、８４０℃、８６０℃、８８０℃および９００℃に変化させて焼成を行った。
図４は実施例における焼成温度と焼結密度および結晶化度との関係を示す図であり、図５は実施例における焼成温度と焼成収縮率との関係を示す図である。図４の左縦軸は焼結密度を示し、右縦軸は結晶化度を示し、横軸は焼成温度を示す。図５の縦軸は焼成収縮率を示し、横軸は焼成温度を示す。
図５のＸ−Ｙ方向とはグリーンシートの表面に平行な方向を意味し、Ｚ方向とはグリーンシートの表面に垂直な方向を意味する。
図４および図５に示すように、実施例の積層セラミック基板１０において、焼成温度が約８２０℃以上９００℃以下の場合、焼結密度および焼成収縮率はほぼ一定の値を示し、焼成温度が約８２０℃未満の場合、焼結密度および焼成収縮率は低下した。また、焼成温度が約８２０℃以上９００℃以下の場合、結晶化度は焼成温度の増加に伴って直線的に増加した。焼成温度が約８２０℃未満の場合、結晶化度は０％となった。
また、図６は実施例における焼成温度と焼成後の機械的性質との関係を示す図であり、図７は実施例における焼成温度と焼成後の誘電率との関係を示す図である。図６の左縦軸は抗折強度を示し、右縦軸はビッカーズ硬度を示し、横軸は焼成温度を示す。図７の縦軸は誘電率を示し、横軸は焼成温度を示す。
図６および図７に示すように、実施例の積層セラミック基板１０において、焼成温度が約８００℃以上９００℃以下の場合、抗折強度は大きく変化しない。また、焼成温度が約８２０℃以上９００℃以下の場合、ビッカーズ硬度はほぼ一定の値を示す。しかし、焼成温度が約８２０度未満の場合、ビッカーズ硬度は低下した。また、焼成温度が約８２０度未満の場合、誘電率も低下傾向を示した。
以上の結果より、焼成温度を約８２０℃以上にした場合には、グリーンシート１１ａ〜１１ｄが十分に焼成され、十分な機械的特性および電気的特性を有する積層セラミック基板１０が得られることがわかった。
（焼成温度と短絡不良発生率との関係）
次に、焼成温度と短絡不良発生率との関係を検証すべく、実験用の炉で焼成温度を変化させて積層セラミック基板（サイズ６．７ｍｍ×５．０ｍｍ）からなる７２０個のアンテナスイッチモジュールを作製した。
図８は、本実施例における焼成温度と短絡不良発生率との関係を示す図である。図８の縦軸は短絡不良発生率を示し、横軸は焼成温度を示す。
図８に示すように、焼成温度が約８４０℃以下においては、短絡発生不良率がほぼ０％となり、不良が発生しなかった。しかし、焼成温度を８５０℃、８６０℃および８８０℃と上昇させると短絡不良発生率が２％、８％および１５％と徐々に増加した。この結果、焼成温度を上昇させるとマイグレーション現象が生じやすくなり、短絡不良発生率が増加することがわかった。
（結晶化度と短絡不良発生率との関係）
次に、結晶化度と短絡不良発生率との関係を検証すべく、上記焼成温度を変化させて作製したアンテナスイッチモジュールの結晶化度を測定した。
図９は結晶化度と短絡不良発生率との関係を示す概略図であり、図１０は結晶化度と短絡不良発生率との測定結果の詳細を示す図である。図９および図１０の縦軸は、短絡不良発生率を示し、横軸は結晶化度を示す。
図９に示す結晶化度２５％は、推奨焼成温度約９００℃において、グリーンシートを焼成した場合の結晶化度である。この場合の短絡不良発生率は１５％である。また、図１０に示す測定結果より、結晶化度が１２％以下の場合、短絡不良率は１％以下に抑制されることがわかった。
（焼成温度と焼結密度および結晶化度との関係）
次に、焼成温度と積層セラミック基板の焼結状態を示す焼結密度および結晶化度との関係を検証した。
図１１は、本実施例における焼結温度差と焼結密度および結晶化度との関係を示す図である。図１１の左縦軸は焼結密度を示し、右縦軸は結晶化度を示し、横軸は焼成温度差を示す。
図１１の焼成温度差ΔＴは、結晶化度が２５％となる場合の焼成温度を０として規定した。また、焼結密度ΔＤは、焼成温度差ΔＴが０となる場合（結晶化度が２５％となる場合）の密度Ｄ１に対する焼成温度を変化させた場合の各密度Ｄ２の比（Ｄ２／Ｄ１）である。
図１１に示すように、焼成温度差ΔＴが、約−５５℃以上＋２０℃以下の場合、結晶化度は焼成温度の増加に伴って直線的に増加した。また、焼成温度差ΔＴが、約−５５℃未満の場合、結晶化度はほぼ０％となった。
焼成温度差ΔＴが約−６０℃以上＋２０℃以下の場合、焼結密度ΔＤは一定の値を維持する。焼成温度差ΔＴが約−６０℃未満の場合、焼結密度ΔＤは減少傾向を有することがわかった。
また、図１１によれば、結晶化度が０％を示す場合でも、ある一定の温度範囲では焼結密度ΔＤがほぼ一定の値を示し、積層セラミック基板１０が十分に焼結されていることがわかった。また、積層セラミック基板１０の形成において機械的特性および電気的特性に基づいて許容される焼結密度を結晶化度が２５％のときの焼成密度に対して９５％以上とした場合、焼成温度差ΔＴは−８０℃まで可能であることがわかった。
以上のことより、積層セラミック１０の形成における焼成温度の下限は、焼成温度差ΔＴが−８０℃以内となるように設定することが好ましい。この場合、ガラスセラミック層の十分な強度および焼結密度が得られる。
（銀濃度と短絡不良率との関係について）
次に、結晶化度が１２％以下の積層セラミック基板１０内の銀濃度と短絡不良率との関係について検証を行った。
図１２は、図１の積層セラミック基板１０の一部を示す模式的断面図である。
図１２に示すように、ガラスセラミック層１１Ｃには配線パターン１２Ｃが印刷され、ガラスセラミック層１１Ｄには配線パターン１２Ｄが印刷されている。
２つの配線パターン１２Ｃ間の部分および配線パターン１２Ｃおよび配線パターン１２Ｄとが互いに対向する部分を領域１７とする。この領域１７について、Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による銀濃度の測定を行った。表３にＸ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による銀濃度の測定結果を示す。
Figure 0004145262
表３に示すように、領域１７には、非晶質ガラスが３３重量％〜５９重量％含まれており、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）が５５重量％〜３５重量％含まれている。また、Ｘ線マイクロアナライザの測定結果より、領域１７の銀濃度は４％以下であることがわかった。
図１３は、領域１７の銀濃度の測定結果と短絡不良発生率との関係を示す図である。図１３の縦軸は、短絡不良発生率を示し、横軸は銀（Ａｇ）濃度を示す。
図１３によれば、配線パターン１２Ａ〜１２Ｄが互いに対向するガラスセラミック層１１Ａ〜１１Ｄの領域１７における銀の濃度が４％以下である場合、短絡不良発生率はほぼ１％以下となった。
以上のことから、結晶化度が１２％以下となるように焼成温度を設定することにより、積層セラミック基板１０の電気的短絡を十分に防止することができることがわかった。
これは、結晶化度が１２％以下であることにより、銀がイオン化してもガラスセラミック層１１Ａ〜１１Ｄ中を移動することができないためであると考えられる。
さらに、銀からなる配線パターン１２Ａ〜１２Ｄの互いに対向する部分の領域における銀の濃度が４％以下である場合に、電気的短絡を十分に防止することができることがわかった。
本発明は、携帯電話等の移動体通信機器や携帯通信端末に用いられる高周波回路基板等に利用することができる。
本発明の一実施の形態における積層セラミック基板を示す模式的斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、図１の積層セラミック基板の製造方法を示す模式的斜視図である。 焼成温度が８８０℃の場合の積層セラミック基板のＸ線回折（ＸＲＤ）の測定結果の一例を示す図である。 実施例における焼成温度と焼結密度および結晶化度との関係を示す図である。 実施例における焼成温度と焼成収縮率との関係を示す図である。 実施例における焼成温度と焼成後の機械的性質との関係を示す図である。 実施例における焼成温度と焼成後の誘電率との関係を示す図である。 本実施例における焼成温度と短絡不良発生率との関係を示す図である。 結晶化度と短絡不良発生率との関係を示す概略図である。 結晶化度と短絡不良発生率との測定結果の詳細を示す図である。 本実施例における焼結温度差と焼結密度および結晶化度との関係を示す図である。 図１の積層セラミック基板の一部を示す模式的断面図である。 領域の銀濃度の測定結果と短絡不良発生率との関係を示す図である。 従来の積層セラミック基板の製造方法を示す模式的斜視図である。 マイグレーション現象を模式的に示す図である。
符号の説明
１０ 積層セラミック基板
１１，１１Ａ〜１１Ｄ ガラスセラミック層
１１ａ〜１１ｄ グリーンシート
１２Ａ〜１２Ｄ 配線パターン
１７ 領域

Claims (6)

  1. 積層された複数のガラスセラミック層と、
    前記複数のガラスセラミック層の少なくとも一面に設けられ、金属材料からなる配線パターンとを備え、
    前記複数のガラスセラミック層は、非晶質ガラスおよびアルミナを含み、且つ、
    前記非晶質ガラスのＸ線回折のピークが現れる結晶化状態であり、
    前記アルミナのＸ線回折のピーク強度に対する前記非晶質ガラスのＸ線回折のピーク強度の比で表される結晶化度が１２％以下であることを特徴とする積層セラミック基板。
  2. 前記複数のガラスセラミック層は、
    前記結晶化度が２５％となる場合のガラスセラミック層の密度に対して９５％以上の密度を有することを特徴とする請求項１記載の積層セラミック基板。
  3. 前記非晶質ガラスは、珪酸を含むことを特徴とする請求項１または２記載の積層セラミック基板。
  4. 前記非晶質ガラスは、アノーサイトを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の積層セラミック基板。
  5. 前記金属材料は、銀であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の積層セラミック基板。
  6. 前記配線パターンは、互いに対向する部分を有し、前記対向する部分の間のガラスセラミック層の領域における銀の濃度が４％以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の積層セラミック基板。
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